深厚冲积层人工冻土水分迁移机理及冻胀本构模型研究

Determination of frost-heave stress of artificial frozen soil is the difficult problem for multi-coil pipes freezing shaft sinking design and construction in the deep alluvium.Artificial multi-coil pipes freezing model tests are carried on to obtain the interaction mechanism of temperature field, moisture field and frost-heave stress field during the course of frozen wall forming in the deep alluvium. The change law of frost-heave stress under different consolidation pressure and moisture content for the deep alluvium clay is studied by artificial frozen soil frost-heave test.The relationship among frozen soil thermal parameters and soil properties and physical state is also abtained.Finally Artificial freezing soil frost-heave constitutive model is established based on porous media seepage mechanics, thermodynamics, the results of model tests. The research results are the base of mechanical analysis of deep alluvium frozen wall, which has great significance on the development of freezing shaft sinking theory and technology.

人工冻土冻胀应力的确定是深厚冲积层多圈管冻结法凿井设计和施工中的难题。本项目采用人工多圈管冻结模型试验，研究深厚冲积层冻结壁形成过程中温度场、水分场和冻胀应力场的相互作用关系和耦合机理，并通过人工冻土冻胀试验，研究深厚冲积粘土在不同固结压力和含水率下冻胀应力变化规律，确定冻土热参数与土性及物理状态之间的关系，最后基于多孔介质渗流力学、热力学和模型试验结果建立深厚冲积层水热力耦合条件下的人工冻土冻胀本构模型。课题研究成果是深厚冲积层深井冻结壁力学分析的基础，对冻结法凿井理论和技术发展具有重要意义。

冻结法是我国煤矿井筒穿越深厚表土层的主要工法，为保证冻结法凿井过程中的施工安全，需要研究深厚冲积土层的冻胀特性，以及冻结过程中水热力三场分布和变化规律。为此，本项目采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，开展了以下研究：.（1）对人工冻土及冻结软岩进行了热物理参数、强度、单轴和三轴蠕变曲线等测试，并通过冻胀试验，研究不同冷端温度、含水率、干密度及外部荷载条件下深厚冲积土的冻胀特性；.（2）自行研制了一套大尺寸试样冻胀试验装置，并在补水条件下对不同冷端温度、含水率下的试样进行了冻胀试验；.（3）通过人工多圈管冻结模型试验，研究了深厚冲积土层在冻结条件下的温度场、水分场、应力场的变化规律和相互关系，分析了不同冻结方案对冻结壁性质的影响；.（4）对矿区井筒冻结壁温度、冻胀力及孔压分布进行了现场实测，结合水热力耦合模型，利用数值模拟方法研究了冻结壁形成规律和应力特征，并与实测结果进行了对比分析。.项目研究成果是深厚冲积层深井冻结壁力学分析的基础，能为井筒冻结法设计与施工提供有效的依据。